電磁干擾導(dǎo)致車輛虧電的研究

關(guān)鍵詞：電磁干擾;蓄電池電壓;虧電;抗干擾

中圖分類號(hào)：U463.6 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

0引言

隨著電子設(shè)備的廣泛使用，電磁干擾已經(jīng)無處不在。車輛電器模塊設(shè)計(jì)時(shí)，為保證信號(hào)的通訊質(zhì)量，提升抗干擾能力，對(duì)電子控制單元內(nèi)部CAN接口電路設(shè)計(jì)提出了相應(yīng)的要求。但在極端情況下，電子控制單元內(nèi)部未加裝抗外圍干擾電路的端子，仍然會(huì)由于受到電磁干擾而處于異常狀態(tài)，進(jìn)而導(dǎo)致車輛的低壓鉛酸蓄電池虧電。

放置在商場中的展車，車輛管理人員離開時(shí)確認(rèn)車輛已經(jīng)下電，整車用電器均不工作。但后續(xù)使用車輛時(shí)，車輛無法正常起動(dòng)，使用萬用表檢測(cè)車輛的低壓鉛酸蓄電池電壓值，發(fā)現(xiàn)蓄電池已經(jīng)處于虧電狀態(tài)。此車輛為新車，從生產(chǎn)線下線到運(yùn)輸?shù)缴虉鲋校闯霈F(xiàn)過虧電故障，同批次下線車輛也無此類故障。初步結(jié)論，故障原因并非低壓鉛酸蓄電池物料問題，也非車輛自身原因。

1實(shí)車檢測(cè)

在確認(rèn)車輛所有用電器均已關(guān)閉的前提下，工作人員在車載OBD接口連接自帶供電的監(jiān)控設(shè)備，監(jiān)控整車蓄電池電壓狀態(tài)和網(wǎng)絡(luò)報(bào)文，并通過“蓄電池電壓狀態(tài)”信號(hào)判斷蓄電池是否發(fā)生虧電。蓄電池電壓狀態(tài)總線信號(hào)相關(guān)信息如表1所示，部分監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)截圖如1所示。

分析蓄電池監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，蓄電池電壓狀態(tài)總線信號(hào)“Battery_state”信號(hào)真值為“0”，此時(shí)蓄電池電壓狀態(tài)正常;蓄電池電壓狀態(tài)總線信號(hào)“Battery_state”信號(hào)真值從“0”變?yōu)椤?”，此時(shí)蓄電池處于虧電狀態(tài)。

從蓄電池電壓狀態(tài)信號(hào)真值第一次變?yōu)椤?x1=Battery Low”時(shí)間點(diǎn)反向查找。車輛下電后，整車網(wǎng)絡(luò)在滿足整車通訊策略條件后，進(jìn)入休眠狀態(tài)，CAN總線網(wǎng)絡(luò)上無報(bào)文傳輸。故障車發(fā)生低壓鉛酸蓄電池虧電故障，必然有用電器在持續(xù)消耗蓄電池電量。查詢CAN網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控報(bào)文，可以確定是某一個(gè)CAN網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)在某一時(shí)間點(diǎn)，在既沒有本地喚醒事件，也沒有網(wǎng)絡(luò)喚醒事件的情況下自行啟動(dòng)工作，同時(shí)發(fā)出網(wǎng)絡(luò)管理幀0x6xx，并喚醒整車網(wǎng)絡(luò)，最終導(dǎo)致車輛在下電休眠的前提下，發(fā)生虧電故障。

通過示波器監(jiān)控到，當(dāng)整車電壓值從0.0V上升到3.5V左右時(shí)，CAN網(wǎng)絡(luò)被喚醒，整車CAN網(wǎng)絡(luò)開始通訊（圖2）。

2故障原因分析

2.1整車CAN網(wǎng)絡(luò)通訊策略

根據(jù)整車CAN網(wǎng)絡(luò)通訊策略，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)分為兩類：常電（KL30）節(jié)點(diǎn)和非常電（KL15）節(jié)點(diǎn)（KL15節(jié)點(diǎn)只能在點(diǎn)火鑰匙置于“ACC”、“ON”或者“START”擋時(shí)參與網(wǎng)絡(luò)通訊）。故障車被監(jiān)測(cè)到自行啟動(dòng)工作，發(fā)出網(wǎng)絡(luò)管理幀0x6xx，并喚醒整車網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)為KL30節(jié)點(diǎn)。

KL30節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)轉(zhuǎn)換機(jī)制如下：節(jié)點(diǎn)未上電狀態(tài)——節(jié)點(diǎn)復(fù)位狀態(tài)——通訊初始化狀態(tài)——通訊內(nèi)核激活狀態(tài)——通訊內(nèi)核停止?fàn)顟B(tài)。具體表現(xiàn)為：KL30節(jié)點(diǎn)處于節(jié)點(diǎn)未上電狀態(tài)下，該節(jié)點(diǎn)接通常電以后，經(jīng)過節(jié)點(diǎn)復(fù)位和通訊初始化2個(gè)過渡狀態(tài)后，該節(jié)點(diǎn)將進(jìn)入通訊內(nèi)核激活狀態(tài)，并發(fā)送一幀網(wǎng)絡(luò)喚醒幀（僅發(fā)一幀）來激活網(wǎng)絡(luò)，促使其他KL30節(jié)點(diǎn)激活其通訊內(nèi)核，從而激活網(wǎng)絡(luò)。

在此種狀態(tài)下，節(jié)點(diǎn)檢測(cè)到任何一個(gè)保持網(wǎng)絡(luò)通訊的本地事件發(fā)生或者8s內(nèi)在總線上存在任何“網(wǎng)絡(luò)管理幀”或者“診斷報(bào)文”，則節(jié)點(diǎn)維持“通訊內(nèi)核激活狀態(tài)”。在未連接車載診斷儀并通過診斷儀與車輛通訊的情況下，網(wǎng)絡(luò)上不會(huì)存在“診斷報(bào)文”;節(jié)點(diǎn)維持“通訊內(nèi)核激活狀態(tài)”，只能是存在“網(wǎng)絡(luò)管理幀”。

2.2故障模塊CAN單節(jié)點(diǎn)測(cè)試

對(duì)車輛故障模塊進(jìn)行CAN單節(jié)點(diǎn)測(cè)試，報(bào)告如表2所示。通過測(cè)試報(bào)告可知，電源電壓從4.5V上升到6.5V時(shí)，DUT發(fā)出所有報(bào)文（網(wǎng)絡(luò)管理幀和數(shù)據(jù)幀）。由于測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)是單節(jié)點(diǎn)從4.5V開始，逐漸提高電源電壓，因此電壓值低于4.5V時(shí)，節(jié)點(diǎn)狀態(tài)未經(jīng)過測(cè)試。

2.3異常工作模塊內(nèi)部MCU電壓

對(duì)異常工作模塊內(nèi)部MCU電壓進(jìn)行采樣，采樣電路如圖3所示。模塊工作電壓如表3所示。

外部輸入電壓“Input”經(jīng)過電阻分壓為MCU供電，當(dāng)車輛正常工作時(shí)，MCU的輸入電壓值應(yīng)為9.0V以內(nèi)。模塊MCU內(nèi)部邏輯規(guī)定，輸入電壓小于或等于某個(gè)標(biāo)定電壓值時(shí)，模塊判斷為無效;輸入電壓大于或等于某個(gè)標(biāo)定電壓值時(shí)，模塊判斷為有效。

鑒于可靠工作電壓范圍為9.0～16.0V，以9.0V輸入為參考，按照電路圖中電阻分壓計(jì)算，喚醒網(wǎng)絡(luò)的模塊內(nèi)部邏輯為：輸入電壓大于或等于3.5V時(shí)判斷為有效，此時(shí)模塊開始工作，向網(wǎng)絡(luò)上發(fā)送自身的網(wǎng)絡(luò)管理幀。其發(fā)送的網(wǎng)絡(luò)管理幀作為網(wǎng)絡(luò)上其他模塊被喚醒的網(wǎng)絡(luò)事件，導(dǎo)致整個(gè)網(wǎng)絡(luò)上所有滿足條件的節(jié)點(diǎn)均被喚醒工作。

由于外部輸入電壓“Input”為受控端（實(shí)體開關(guān)、繼電器或者為其他控制模塊輸出端），因此不應(yīng)該在車輛下電后仍然有電壓輸入。而實(shí)際情況是此模塊的MCU仍然工作，那么必然有大于等于3.5V的“輸入電壓”存在。

通過示波器監(jiān)控MCU外部輸入電壓“Input”電壓值（圖4），可以看到初始電壓值為0.0V，在某一時(shí)刻突然跳變到4.0V，1s之后跳變到12.0V。

第一段電壓值為整車下電休眠后，整車靜態(tài)電流為毫安級(jí)別，符合要求。

第二段電壓值跳變到4.0V，達(dá)到了此模塊MCU判斷為有效的電壓閾值。按照網(wǎng)絡(luò)通訊策略，此模塊被喚醒，在1s之內(nèi)完成節(jié)點(diǎn)總線發(fā)送初始化、喚醒發(fā)送使能。

第三段電壓值跳變到12.0V，節(jié)點(diǎn)向網(wǎng)絡(luò)發(fā)送網(wǎng)絡(luò)管理幀，喚醒網(wǎng)絡(luò)內(nèi)其他節(jié)點(diǎn)，整車上電。此時(shí)發(fā)電機(jī)并未工作，整車消耗電量全部由蓄電池提供，并且沒有持續(xù)補(bǔ)充。此狀況持續(xù)一段時(shí)間，必然導(dǎo)致蓄電池虧電。

3分析電壓產(chǎn)生原因

3.1虧電場景分析

故障車為放置在商場中的展車，車輛管理人員離開時(shí)確認(rèn)車輛已經(jīng)下電，整車用電器均不工作;根據(jù)整車CAN網(wǎng)絡(luò)通訊策略，常電（KL30）節(jié)點(diǎn)偵測(cè)到網(wǎng)絡(luò)上持續(xù)8s沒有傳輸任何網(wǎng)絡(luò)管理幀（網(wǎng)絡(luò)管理幀含網(wǎng)絡(luò)喚醒幀和網(wǎng)絡(luò)保持幀），就停止自身的通訊內(nèi)核，進(jìn)入通訊內(nèi)核停止?fàn)顟B(tài)，網(wǎng)絡(luò)通訊自動(dòng)關(guān)閉。

整車各個(gè)模塊CAN單節(jié)點(diǎn)測(cè)試報(bào)告和整車暗電流測(cè)試均為合格，即在實(shí)驗(yàn)室條件下，車輛并未出現(xiàn)虧電現(xiàn)象，此車輛僅在商場中發(fā)生虧電故障。為此，分析可能在商場中存在電磁干擾喚醒了車輛網(wǎng)絡(luò)，導(dǎo)致蓄電池虧電。

3.2電子控制單元內(nèi)部抗干擾分析

電子控制單元內(nèi)部的CAN總線接口電路連接包括共模線圈、總線終端單元、EMC電容以及ESD保護(hù)元件，作用都是為了更好地抑制CAN總線上的共模信號(hào)噪聲輻射，提高EMC性能，即保證CAN總線上傳輸信號(hào)的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。CAN接口電路設(shè)計(jì)考慮到電磁干擾對(duì)CAN總線傳輸數(shù)據(jù)的影響，但電子控制單元內(nèi)部的端子并非都加裝抗外圍干擾電路，因此電磁干擾對(duì)其他端子功能的影響未知。

3.3測(cè)試車內(nèi)電磁干擾數(shù)

據(jù)根據(jù)GB/T33012.2-2016《道路車輛 車輛對(duì)窄帶輻射電磁能的抗擾性試驗(yàn)方法 第2部分：車外輻射源法》，對(duì)商場展車現(xiàn)場進(jìn)行實(shí)車測(cè)試。根據(jù)測(cè)試結(jié)果可以看出（圖5和圖6），車輛在2400～2500MHz頻段，間歇性受到較強(qiáng)的電磁干擾，外部電磁干擾造成車輛線束中產(chǎn)生非預(yù)期的電壓波動(dòng)。當(dāng)電壓波動(dòng)值達(dá)到某個(gè)或某幾個(gè)CAN網(wǎng)絡(luò)模塊的標(biāo)定電壓閾值時(shí)，就會(huì)將已經(jīng)處于休眠的模塊喚醒。被喚醒的模塊按照CAN總線通訊策略發(fā)送網(wǎng)絡(luò)管理報(bào)文到CAN總線上，進(jìn)一步喚醒整個(gè)網(wǎng)絡(luò)，使已經(jīng)處于下電休眠狀態(tài)的車輛持續(xù)消耗蓄電池電量，并最終導(dǎo)致車輛虧電。

3.4電磁干擾源分析

根據(jù)電磁干擾數(shù)據(jù)對(duì)商場展車周邊能夠產(chǎn)生電磁干擾的用電設(shè)備進(jìn)行分析，最后發(fā)現(xiàn)商場中大量使用的無線掃描設(shè)備。這些無線掃描槍采用2.4G藍(lán)牙無線通訊技術(shù)，是一種短距離無線傳輸技術(shù)。這種通訊技術(shù)雙向傳播，具有抗干擾性強(qiáng)、傳輸距離遠(yuǎn)和耗電少的優(yōu)點(diǎn)，通訊技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用頻段為2460～2540MHz。

經(jīng)過確認(rèn)，商場中使用的無限掃描設(shè)備工作頻段與造成車輛電磁干擾的頻段比較吻合，可確定其為電磁干擾源。商場內(nèi)頻繁使用無線掃描設(shè)備引起了車輛線束內(nèi)部產(chǎn)生感應(yīng)電壓，達(dá)到模塊內(nèi)部工作的條件，喚醒整車網(wǎng)絡(luò)，并最終導(dǎo)致車輛虧電。

3.5解決方案

針對(duì)被干擾時(shí)誤啟動(dòng)的模塊，更改其內(nèi)部MCU輸入電壓電路的邏輯。通過將接口電路中R2的電阻值從34.8kΩ調(diào)整為66.5kΩ，降低誤觸發(fā)，從而提升模塊的抗干擾能力（圖7）。根據(jù)實(shí)車測(cè)試，故障模塊按照此方案更改電阻值以后，在展廳中再未發(fā)生虧電故障。由此證實(shí)，提高模塊MCU的輸入電壓，是解決該問題的有效方法。

4結(jié)束語

電磁干擾幾乎無處不在，尤其導(dǎo)致的故障具有偶然性且不易復(fù)現(xiàn)，使得難以找到真正的問題原因，本文涉及車輛在特定的場所發(fā)生故障，使得問題排查得以朝著正確的方向進(jìn)行，為避免類似故障的發(fā)生，在設(shè)計(jì)車輛電子控制單元內(nèi)部電路時(shí)，綜合考慮電磁干擾所產(chǎn)生的影響，提升車輛各模塊以及整車抗電磁干擾能力的重要性，具有普遍意義。

作者簡介：

張慶，碩士，工程師，研究方向?yàn)樾履茉雌嚰夹g(shù)、CAN總線。